Je voudrais savoir avion, comment fais-tu pour voler ?
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 Le projet Bienvenue  Qui sommes-nous ? Nous sommes trois élèves de Première Scientifique, cette année nous devons présenter un TPE sur la modélisation d'un avion. Notre objectif est de construire et de faire voler un avion en Avril 2011.  Mais qu'est-ce qu'un TPE ? Un TPE est l'abréviation de Travaux Personnels Encadrés Travaux : Etroitement articulés aux programmes, les TPE offrent aux élèves l'occasion de mener à bien une réalisation concrète qui leur permet d'enrichir leurs savoirs, de développer des compétences et d'affiner leurs méthodes. Personnels : Sur un sujet dont ils ont délimité les contours, les élèves, en évitant une simple compilation, élaborent en collaboration avec d'autres élèves une production, individuelle ou collective, à partir de ressources variées. Encadrés : Les professeurs accompagnent conjointement la prise d'autonomie des élèves. Ils leur signalent les impasses, relancent leur motivation et vérifient l'ancrage de leurs recherches dans les savoirs. Ce suivi évolue et change de nature selon les étapes. -Une démarche inscrite dans la durée Les TPE fournissent aux élèves le temps de mener un véritable travail, en partie collectif, qui va de la conception à la production achevée. Le carnet de bord individuel est la mémoire indispensable de leur itinéraire. -De caractère pluridisciplinaire Les TPE doivent croiser au moins deux disciplines. -Conduisant à une production Les élèves peuvent envisager tout type de réalisation sur des supports divers tels que maquettes, poèmes, une de journal, dossier écrit, expérience scientifique, vidéo, représentation théâtrale, pages Internet, affiches, etc. -Elaborée à partir d'une recherche documentaire Quelle que soit la production envisagée, la démarche doit impérativement comporter des phases de recherche et d'exploitation de documents. Ce travail documentaire permet, à son tour, d'affiner la problématique et de décider de la réalisation la plus cohérente avec le sujet choisi. -Donnant lieu à une évaluation. L'évaluation doit porter sur l'ensemble du parcours et prendre en compte, non seulement la production, mais aussi sa présentation écrite et orale. Introduction Depuis toujours l'un des plus grands rêves de l'Homme a été de voler, de pouvoir profiter de la même liberté qu'un oiseau. Déjà dans l'antiquité, la mythologie grecque racontait la légende d'Icare, un homme qui volait grâce à des plumes et de la cire. Puis à la renaissance, Léonard de Vinci inventa de multiples machines volantes mais qui ne furent jamais mises au point. Beaucoup d'autres tentatives furent infructueuses, le corps humain n'est décidément pas conçu pour voler ! Mais les années passèrent, les idées évoluèrent et le monde moderne s'intéressa de plus près à ce rêve. S'il est impossible de voler naturellement alors pourquoi ne pas construire une machine qui pourrait nous y aider ? Aussitôt dit, aussitôt fait ; et les premiers avions furent construits. L'Homme pouvait enfin voler ! De nos jours les avions sont devenus un moyen de transport commun. Etant de plus en plus perfectionnés ils interviennent dans notre vie quotidienne. On les voit, on les étudie, on les utilise mais néanmoins une question fondamentale se pose aux amateurs : " Pourquoi voles-tu avion ? Quelle est cette magie qui semble t'arracher du sol si facilement ? " Si vous vous posez ces questions alors laissez vous guider et déployez vos ailes avec nous à travers ce TPE. Tout d’abord nous allons expliquer et montrer comment calculer les forces s’appliquant à un avion pendant le vol. Puis nous nous intéresserons aux caractéristiques du modèle que nous allons construire. Enfin nous travaillerons sur une modélisation 3D et sur la fabrication grandeur nature du modèle.  Je voudrais savoir avion, comment fais-tu pour voler ? La mécanique du modèle Du projet à la réalisation Je voudrais savoir avion, comment fais-tu pour voler ?  Quelles sont les différentes forces qui s'exercent sur un avion ? Comment calculer ces forces ? Les expériences Quelles sont les différentes forces qui s'exercent sur un avion ? Un avion est constamment soumis à plusieurs forces qui varient selon son environnement. Ces forces ne sont pas toujours évidentes, c'est pourquoi nous allons les expliquer. Une force est définie comme la cause de modification d'un corps ou de la modification de son état de repos ou de mouvement. Une force est représentée par un vecteur dont la direction et le sens sont ceux du mouvement ou de la déformation causée par la force. Une force s'exprime en Newton. Par exemple pour sortir un avion de son hangar il est nécessaire de lui appliquer une force suffisante en poussée ou en traction pour le mettre en mouvement. Cette force sera d'autant plus importante que l'avion sera lourd. L'équilibre physique d'un corps et défini comme : l'état dans lequel la somme de toutes les forces est égale à 0. Un objet en équilibre n'est pas forcément immobile, il peut aussi être en mouvement rectiligne continu, en effet dans ce cas aucunes des forces qui lui est appliquées n'est capable de le freiner ou de l'accélérer.  Le poids Le poids est la force la plus connue au monde. La pesanteur est un champ attractif auquel tous les corps sur la Terre sont soumis. Si l'on se place en un point donné a la surface de la Terre et qu'on lâche un objet à partir d'une quelconque hauteur, cet objet va "tomber" dans la direction du centre de la Terre. Cette direction a un nom bien connu : la verticale. L'attraction de la Terre est d'origine gravitationnelle, c'est à dire que la Terre et l'objet s'attirent mutuellement. Ainsi, l'accélération de la gravité est notée g (g = 9,81 N/kg). La formule du poids de l'objet est : P = mg Où m est la masse de l'objet en kg et g l'accélération de la gravité en N/kg  La portance La portance (Rz) est une force égale en intensité au poids et opposée à celui-ci. Elle est créée par le vent relatif, c'est à dire l'écoulement de l'air sur la surface de l'air. En effet tout le secret réside dans la façon dont est fabriquée l'aile. Si l'on coupait et que l'on regardait son profil on s'aperçoit que la face extérieure est plus longue que la face intérieure appelé intrados. Ainsi l'air doit parcourir un trajet plus long , il est donc obligé de s'écouler plus rapidement le long de la surface supérieure. Cette différence de vitesse d'écoulement créée une dépression sur la face supérieure de l'aile (loi de Bernoulli). La différence de pression va tirer l'avion vers le haut. Par ailleurs le choc de l'air sur la face inférieure de l'aile créé une légère surpression sur cette face. Cette surpression créée une deuxième force vers le haut. L'addition de ces deux forces donne une force globale qui pousse l'avion vers le haut. Cette force c'est la portance.  Profil d'une aile d'avion.  Le théorème de Bernoulli : Attention ! : vous trouverez dans les livres le « phénomène » de Bernoulli ou le « principe » de Bernoulli par abus de language mais retenez plutôt le terme de « Théorème » de Bernoulli. En bref, le théorème de Bernoulli dit que quand la pression de l’air diminue, sa vitesse augmente ce qui explique le principe de la portance. Ce théorème peut être appliqué sur les ailes d’un avion lors d’une étude superficielle, lorsque les recherches sont poussées, le théorème ne peut plus s’appliquer car il est trop approximatif. En effet ce théorème considère que l’air est un fluide incompressible et que l’écoulement de l’air doit être laminaire et irrotationnel, ce qui est faux : l’air est un fluide compressible et l’écoulement de l’air autour des ailes est rotationnel comme le montre les vortex après le passage d’un avion. La vitesse de l’air qui passe sur l’extrados a une relation avec l’incidence de l’avion. Quelques exemples logiques vont vous prouver que le théorème de Bernoulli ne peut pas être la seule cause de la portance : - Comment un avion fait-il pour voler sur le « dos » ? Logiquement, si le théorème de Bernoulli s’appliquait, la portance devrait attirer l’avion vers le sol, cependant celui-ci reste en vol. La raison est toute simple : l’avion a une légère incidence et l’air vient frapper l’extrados qui est vers le sol. De ce fait, l’avion est poussé vers le haut. - L’expérience la plus connue pour montrer le théorème de Bernoulli est de souffler sur le haut d’une feuille et cette feuille se soulève. Il suffit de voir à quelle vitesse on doit souffler sur la feuille et imaginer le même phénomène pour un avion de plusieurs tonnes. Tout de suite on voit que c’est démesuré. Ce phénomène ne s’applique qu’à certains avions supersoniques. On peut donc en conclure que le théorème de Bernoulli s’applique un peu dans le cas d’un avion en vole mais il n’est pas la seule cause de la portance. Cependant démontrer tout cela de manière scientifique n’est pas du tout de notre niveau. De plus, lors d’une étude comme celle que nous faisons, la théorème de Bernoulli est largement suffisant. La traction La traction t est fourni par le groupe motopropulseur ( moteur et hélice ) . Elle s'applique à l'axe porte-hélice de l'avion et son intensité varie en fonction de la puissance délivrée par l'avion. En quelques mots, comment l'hélice fait elle avancer l'avion ? Il s'agit du même phénomène que pour la portance, la pale de l'hélice a un profil qui ressemble à un profil d'aile. Ainsi en tournant elle va créer une force de traction qui va tirer l'avion vers l'avant. Plus la force développée par l'hélice est importante, plus puissant doit être le moteur.  La traînée La traînée (Rx) est une force aérodynamique qui est dirigée parallèlement au vent relatif. Elle exprime la difficulté de l'avion a pénétrer dans l'air ou plus exactement la résistance de l'air au mouvement de l'avion. Elle est d'autant plus forte que la vitesse de l'avion est grande.  Comment calculer ces forces ?  |
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